TÓM TẮT LUẬN VĂN: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SỰ TƯƠNG TÁC TẠO PHỨC ĐIME CỦA CÁC BASE NUCLEIC

1. Lí do chọn đề tàiLiên kết hiđro có vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực hoá học, sinh học và y học. Đây là loại liên kết có tương tác tương đối yếu nhưng chiếm ưu thế trong việc hình thành cấu trúc phân tử và tinh thể, với sự tham gia của một chất cho proton AH và chất nhận proton B (thông thường A, B là những phần tử có độ âm điện lớn). Loại liên kết hiđro cổ điển đã được nghiên cứu khá đầy đủ cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm. Đây là loại liên kết hiđro chuyển dời đỏ (tiếng Anh gọi là Redshifting) của tần số dao động hoá trị AH đã được Pauling đưa ra và từ đó được nghiên cứu rộng rãi cả về lý thuyết và thực nghiệm để giải thích cho bản chất của tương tác. Bản chất của chúng là do tương tác tĩnh điện quyết định. Thuộc tính tiêu biểu của loại liên kết hiđro này là: Khi liên kết hiđro hình thành, độ dài liên kết AH dài hơn (kém bền hơn), tần số dao động hoá trị liên kết AH giảm và cường độ hồng ngoại tương ứng tăng so với monome ban đầu.Năm 1980 Sandorfy là người đầu tiên phát hiện ra loại kết hiđro có năng lượng tương đương với liên kết hiđro cổ điển, nhưng có những thuộc tính trái ngược, sau này được gọi là liên kết hiđro chuyển dời xanh. Khi liên kết hiđro hình thành, có sự rút ngắn liên kết AH, tăng tần số dao động hoá trị và (thường) giảm cường độ hồng ngoại tương ứng so với monome ban đầu. Sự phát hiện này đòi hỏi các nhà hoá học phải đặt lại câu hỏi về vấn đề bản chất của liên kết hiđro. Năm 1988, Hobza và cộng sự thực hiện nghiên cứu lý thuyết đầu tiên về loại liên kết hiđro mới này. Sau nhiều tranh cãi của các nhà khoa học thuộc các nhóm nghiên cứu khác nhau đã thống nhất gọi loại liên kết này là liên kết hiđro chuyển dời xanh (tiếng Anh gọi là Blueshifting). Với hàng loạt kết quả nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm cho thấy, bản chất của liên kết hiđro chuyển dời xanh không chỉ đơn thuần do yếu tố tĩnh điện quyết định mà còn có các yếu tố quan trọng hơn chi phối. Yếu tố nào chi phối và ảnh hưởng như thế nào đối với liên kết hiđro chuyển dời xanh là vấn đề mà các nhà khoa học cần quan tâm và giải quyết. Để hiểu rõ hơn về hai loại liên kết hiđro trên (liên kết hiđro chuyển dời xanh và liên kết hiđro chuyển dời đỏ) chúng tôi tiến hành nghiên cứu sự tương tác tạo phức đime của các base nucleic trong các DNA và RNA. Đề tài mà chúng tôi chọn nghiên cứu là: “Nghiên cứu lý thuyết sự tương tác tạo phức đime của các base nucleic”.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

ĐINH THỊ HIỀN

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SỰ TƯƠNG TÁC TẠO PHỨC ĐIME

CỦA CÁC BASE NUCLEIC

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý

Mã số: 60 44 01 19

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Thị Minh Huệ

Hà Nội – 2015

LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Thị Minh Huệ

Phản biện 1: PGS.TS Phạm Văn Nhiêu

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn Thạc sĩ

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Vào hồi giờ ngày tháng năm 2015

Có thể tìm đọc luận văn tại:

- Phòng tư liệu khoa Hóa học

- Thư viện trường Đại học Sư phạm Hà Nội

PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ LUẬN VĂN

1 Lí do chọn đề tài

Liên kết hiđro có vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực hoá học, sinh học và yhọc Đây là loại liên kết có tương tác tương đối yếu nhưng chiếm ưu thế trong việchình thành cấu trúc phân tử và tinh thể, với sự tham gia của một chất cho proton A-H

và chất nhận proton B (thông thường A, B là những phần tử có độ âm điện lớn)

Loại liên kết hiđro cổ điển đã được nghiên cứu khá đầy đủ cả về mặt lý thuyết

và thực nghiệm Đây là loại liên kết hiđro chuyển dời đỏ (tiếng Anh gọi là shifting) của tần số dao động hoá trị A-H đã được Pauling đưa ra và từ đó đượcnghiên cứu rộng rãi cả về lý thuyết và thực nghiệm để giải thích cho bản chất củatương tác Bản chất của chúng là do tương tác tĩnh điện quyết định Thuộc tính tiêubiểu của loại liên kết hiđro này là: Khi liên kết hiđro hình thành, độ dài liên kết A-Hdài hơn (kém bền hơn), tần số dao động hoá trị liên kết A-H giảm và cường độ hồngngoại tương ứng tăng so với monome ban đầu

Red-Năm 1980 Sandorfy là người đầu tiên phát hiện ra loại kết hiđro có năng lượngtương đương với liên kết hiđro cổ điển, nhưng có những thuộc tính trái ngược, saunày được gọi là liên kết hiđro chuyển dời xanh Khi liên kết hiđro hình thành, có sựrút ngắn liên kết A-H, tăng tần số dao động hoá trị và (thường) giảm cường độhồng ngoại tương ứng so với monome ban đầu Sự phát hiện này đòi hỏi các nhàhoá học phải đặt lại câu hỏi về vấn đề bản chất của liên kết hiđro Năm 1988,Hobza và cộng sự thực hiện nghiên cứu lý thuyết đầu tiên về loại liên kết hiđro mớinày Sau nhiều tranh cãi của các nhà khoa học thuộc các nhóm nghiên cứu khácnhau đã thống nhất gọi loại liên kết này là liên kết hiđro chuyển dời xanh (tiếng

Anh gọi là Blue-shifting) Với hàng loạt kết quả nghiên cứu cả về lý thuyết và thực

nghiệm cho thấy, bản chất của liên kết hiđro chuyển dời xanh không chỉ đơn thuần

do yếu tố tĩnh điện quyết định mà còn có các yếu tố quan trọng hơn chi phối Yếu

tố nào chi phối và ảnh hưởng như thế nào đối với liên kết hiđro chuyển dời xanh làvấn đề mà các nhà khoa học cần quan tâm và giải quyết

Để hiểu rõ hơn về hai loại liên kết hiđro trên (liên kết hiđro chuyển dời xanh

và liên kết hiđro chuyển dời đỏ) chúng tôi tiến hành nghiên cứu sự tương tác tạophức đime của các base nucleic trong các DNA và RNA Đề tài mà chúng tôi chọn

nghiên cứu là: “Nghiên cứu lý thuyết sự tương tác tạo phức đime của các base

nucleic”.

2 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về hệ chất nghiên cứu: Khái niệm, cấu trúc và vai trò của các

base nucleic trong các phân tử DNA và RNA

- Tối ưu hoá cấu trúc monome và đime của các base nucleic, tính các loại năng lượngnhư năng lượng liên kết, năng lượng điểm không, năng lượng siêu liên hợp…

- Xác định và giải thích loại liên kết hiđro tạo thành

3 Phương pháp nghiên cứu

3.1 Nghiên cứu lí thuyết

3.2 Phương pháp tính

4 Bố cục luận văn

Luận văn gồm 75 trang

Phần mở đầu: 3 trang

Phần nội dung: 68 trang

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương 2: Tổng quan về hệ chất nghiên cứu và phương pháp tính

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Phần kết luận: 1 trang

Tài liệu thao khảo: 3 trang

Phụ lục

PHẦN II: NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Cơ sở lý thuyết hóa học lượng tử

1.1.1 Phương trình Schrödinger ở trạng thái dừng

1.1.2 Phương trình Schrodinger cho hệ nhiều electron

1.2 Các phương pháp gần đúng hoá học lượng tử

Vấn đề tương tác giữa N-H với một nguyên tử âm điện hơn là oxy hay nitơ tạo

ra liên kết hiđro giữa các base nucleic thực sự quan trọng trong các hệ sinh học Bởi

lẽ nó xác định cấu trúc các phân tử nhỏ, đại phân tử sinh học Đặc biệt, các tương tác

tạo thành số lượng lớn liên kết hiđro dạng N-H O, N-H…N đem lại tính ổn định và

tính linh hoạt trong sự sắp xếp hình thành cấu trúc phân tử axit nuclêic, các protein vàcác protein- axit nucleic Bởi vậy chúng tôi chọn một số hệ cơ bản để nghiên cứutương tác tạo phức đime giữa các base nucleic sau:

1 Hệ Adenine (A) tương tác với Adenine (A)

2 Hệ Cytosine (C) tương tác với Cytosine ( C)

3 Hệ Guanine (G) tương tác với Guanine (G)

4 Hệ Thymine (T) tương tác với Thymine (T)

5 Hệ Adenine (A) tương tác với Guanine (G)

6 Hệ Thymine (T) tương tác với Guanine (G)

7 Hệ Cytosine (C) tương tác với Guanine (G)

8 Hệ Adenine (A) tương tác với Thymine (T)

9 Hệ Adenine (A) tương tác với Cytosine (C)

10 Hệ Cytosine (C) tương tác với Thymine (T)

Các hệ nghiên cứu đã lựa chọn trên dự đoán đều có khả năng hình thành liên kết hiđro Trong khi nguyên tử H của liên kết N-H trong monome ban đầu mang điện tíchdương thì các nguyên tử N, O trong các monome thứ hai đều còn cặp e riêng dẫn tới hình thành liên kết hiđro liên phân tử bền vững, thuận lợi hơn rất nhiều cho viêc nghiên cứu bản chất liên kết hiđro chuyển dời xanh hay đỏ đang được các nhà khoa học quan tâm Hơn nữa , sự hình thành liên kết hiđro đối với các phức tạo bởi các monome trên còn ít được nghiên cứu về mặt lý thyết Chúng tôi cho rằng việc khảo sát và nghiên cứu các hệ phân tử trên trên cơ sở các phương pháp lý thuyết sẽ đóng góp phần quan trọng trong việc tìm hiểu đầy đủ các đặc tính cũng như cấu trúc của đại phân tử sinh học và rút ra những đặc trưng cho việc tìm hiểu bản chất liên kết hiđro chuyển dời xanh hay đỏ

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu

Cấu trúc hình học bền của các phân tử monome và các đime tạo thành được xácđịnh theo các bước chính sau đây:

- Bước 1: Tiến hành tối ưu hóa các hệ chất nghiên cứu bằng phương phápB3LYP với mức lý thuyết thấp 3-21+g* để có thể loại bỏ một phần nào khảnăng không tối ưu được cấu trúc đime ở mức lý thuyết cao, tránh lãng phí vềthời gian

- Bước 2: Lấy các cấu trúc đime đã tối ưu tại bước một để tối ưu bằng phươngpháp B3LYP với mức lý thuyết cao hơn 6-31+g(d,p) Bộ hàm cơ sở này bao gồm cáchàm khuếch tán và các hàm phân cực Với phưng pháp và bộ hàm trên là sự lựa chọnphù hợp trong việc khảo sát liên kết hiđro của các hệ chất đã chọn

- Kết quả thu được là các tham số về cấu trúc hình học, các giá trị tần số daođộng hóa trị, cường độ của phổ hồng ngoại, điện tích trên các nguyên tử…

- Thông qua tính toán sẽ xác định được sự biến đổi các liên kết hóa học, cấu trúchình học của các đime tạo thành so với đime ở trạng thái cô lập, tính được độ dàikhoảng cách của các liên kết hiđro của phức tạo thành.

- Năng lượng tương tác có được do sự chênh lệch về năng lượng giữa phức vớimonome cô lập Năng lượng tương tác của hệ được hiệu chỉnh với năng lượng daođộng điểm không ZPE

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1 Một số thông số cấu trúc của các monome A, C, G, T.

(A) (C)

(G) (T)

Hình 4.1: Hình học phân tử của các monome được tối ưu ở mức

B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º).

Trước tiên, để xác định độ tin cậy của phương pháp, chúng tôi tiến hành tối ưuhóa cấu trúc và tính tần số dao động theo phương pháp B3LYP/6-31+G(d,p) cho cácmonome A, C, G, T Trên cơ sở đó, chúng tôi cũng tiến hành xây dựng, tối ưu hóa cấutrúc và tính tần số dao động của các đime tương ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p)

Từ các kết quả tính toán thu được, chúng tôi so sánh độ dài liên kết, năng lượng liên kết

hiđro của một số đime với các nghiên cứu trước đó Kết quả được trình bày ở hình 4.2

và bảng 4.1

(1.052)

(1.776) (1.033)

Hình 4.2: Hình học phân tử của đime CC-2 được tối ưu ở mức B3LYP/6-31+G(d,p).

Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å) Giá trị trong ngoặc đơn được tính ở mức wB97X-D/6-31+G(d,p) [24].

Hằng số quay của A B3LYP/6-31+G(d,p) Thực nghiệm [20]

Từ bảng 4.2 ở trên cho thấy kết quả tính toán phù hợp tốt với thực nghiệm.

Như vậy, phương pháp mà chúng tôi sử dụng B3LYP/6-31+G(d,p) để tối ưu hóacấu trúc, tính tần số dao động và tính năng lượng cho các hệ nghiên cứu là phương phápgần đúng cho kết quả đáng tin cậy

2 Hệ phức Adenine với Adenine (AA)

2.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành

Trong phân tử Adenine, có 5 nguyên tử N (N1, N2, N3, N4, N5) và 3 nguyên tử

H (H3, H4, H5) đều có khả năng tạo liên kết hiđro để tạo thành đime, hình 4.1(A).Chúng tôi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tính năng lượng củacác đime (AA) tương ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết quả thu được 3 cấutrúc phức bền là AA-1, AA-2, AA-3 (hình 4.3)

(AA-1) (AA-2)

(AA-3)

Hình 4.3: Hình học phân tử của các dime tạo bởi Adenine với Adenine được tối ưu ở

mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân Độ

dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º).

Bảng 4.3: Năng lượng liên kết và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa Adenine với Adenine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), năng lượng liên kết tính theo Kcal/ mol.

nhất ở phức AA-2 (0,048Å), nhỏ nhất ở phức AA-1 (0,016Å) Điều này có thể giải

thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H…N, nguyên tử N đã chuyển mộtphần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H giảm và liên kết N-H trởnên dài ra

Chúng ta thấy trong cả ba phức, tương ứng với sự kéo dài liên kết N-H, liên kếthiđro N-H…N trong cả 3 phức trên thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ

3 Hệ phức Cytosine với Cytosine (CC)

3.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành

Trong phân tử Cytosine, có 3 nguyên tử N (N1, N2, N3) và một nguyên tử O(O1)

và 3 nguyên tử H (H3, H4, H5) đều có khả năng tạo liên kết hiđro để tạo thành đime,hình 4.1(C) Chúng tôi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tínhnăng lượng của các đime (CC) tương ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết quả

thu được 2 cấu trúc phức bền là CC-1, CC-2 (hình 4.4)

(CC-1) (CC-2)

Hình 4.4: Hình học phân tử của các đime tạo bởi Cytosine với Cytosine được tối ưu ở

mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân Độ

dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º).

Bảng 4.4: Năng lượng liên kết và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa Cytosine với Cytosine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), năng lượng liên kết tính theo Kcal/ mol.

tăng lớn nhất ở phức CC-1 (0,032Å), nhỏ nhất ở phức CC-2 (0,028Å) Điều này có

thể giải thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H…N, N-H…O nguyên tử

N, O đã chuyển một phần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H giảm và liên kết N-H trở nên dài ra.

hiđro N-H…N, N-H…O trong cả 2 phức trên thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ

4 Hệ phức Guanine với Guanine (GG)

4.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành

Trong phân tử Guanine, có 5 nguyên tử N (N1, N2, N3, N4, N5), một nguyên tửO(O1) và 4 nguyên tử H (H2, H3, H4, H5) đều có khả năng tạo liên kết hiđro để tạothành đime, hình 4.1(G) Chúng tôi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động

và tính năng lượng của các đime (GG) tương ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p)

Kết quả thu được 2 cấu trúc phức bền là GG-1, GG-2 (hình 4.5)

(GG-1) (GG-2)

Hình 4.5: Hình học phân tử của các đime tạo bởi Guanine với Guanine được tối ưu ở

mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân Độ

dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º).

Bảng 4.5: Năng lượng liên kết và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa Guanine

với Guanine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), năng lượng liên kết tính theo Kcal/ mol.

Dạng phức -∆E r N H r O HGG-1 13,8 1,851(N3 H7) 1,860(O2 H4)GG-2 16,4 1,860(N6 H2) 2,148(O2 H3)

Kết quả cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có sự thay đổi về độ dài liênkết trong monome ban đầu Độ dài liên kết N-H trong cả hai phức đều tăng Độ tăng

lớn nhất ở phức GG-1 (0,027Å), nhỏ nhất ở phức GG-2 (0,005Å) Điều này có thể

giải thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H…N, N-H…O nguyên tử N,

O đã chuyển một phần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H giảm vàliên kết N-H trở nên dài ra

Chúng ta thấy trong cả hai phức, tương ứng với sự kéo dài liên kết N-H, liênkết hiđro N-H…N, N-H…O thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ

5 Hệ phức Thymine với Thymine (TT)

5.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành

Trong phân tử Thymine, có 2 nguyên tử N (N1, N2), 2 nguyên tử O(O1, O2) và 2nguyên tử H (H4, H5) đều có khả năng tạo liên kết hiđro để tạo thành đime, hình4.1(T) Chúng tôi tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tính nănglượng của các đime (TT) tương ứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết quả thu

được 3 cấu trúc phức bền là TT-1, TT-2, TT-3 (hình 4.6)

(TT-1) (TT-2)

(TT-3)

Hình 4.6: Hình học phân tử của các đime tạo bởi Thymine với Thymine được tối ưu ở

mức B3LYP/6-31+G(d,p) Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân Độ

dài liên kết tính theo Angstrom (Å), góc liên kết tính theo độ (º).

Bảng 4.6: Năng lượng liên kết và độ dài liên kết của các phức tạo thành giữa

Thymine với Thymine Dấu chấm (.) thay cho dấu phẩy (,) trong phần thập phân Độ dài liên kết tính theo Angstrom (Å), năng lượng liên kết tính theo Kcal/ mol.

Dạng phức -∆E r O H r O HTT-1 12,4 1,861(O2 H7) 1,803(O4 H5)TT-2 13,0 1,786(O3 H5) 1,845(O2 H7)TT-3 16,3 1,786(O5 H4) 1,785(O2 H9)

Kết quả cho thấy: Khi hình thành liên kết hiđro có sự thay đổi về độ dài liên kết

trong monome ban đầu Độ dài liên kết N-H trong cả ba phức đều tăng Độ tăng lớn

nhất ở phức TT-3 (0,023Å), nhỏ nhất ở phức TT-1 (0,019Å) Điều này có thể giải

thích sơ bộ là do khi tham gia tạo liên kết hiđro N-H…O, nguyên tử O đã chuyển một phần mật độ e sang H, kết quả là mật độ e trên liên kết N-H giảm và liên kết N-H trở nên dài ra

Chúng ta thấy trong cả ba phức, tương ứng với sự kéo dài liên kết N-H , liênkết hiđro N-H…O thuộc loại liên kết hiđro chuyển rời đỏ

6 Hệ phức Adenine với Guanine (AG)

6.1 Cấu trúc và năng lượng liên kết của hợp chất phức hình thành

Trong phân tử Adenine và Guanine đều có chứa các phần tử cho và nhận protonnên có khả năng tạo liên kết hiđro liên phân tử để tạo thành đime Chúng tôi tiến hànhtối ưu hóa cấu trúc, tính tần số dao động và tính năng lượng của các đime (AG) tươngứng ở cùng mức B3LYP/6-31+G(d,p) Kết quả thu được 5 cấu trúc phức bền là AG-

1, AG-2, AG-3, AG-4, AG-5 (hình 4.7)

(AA-1) (AG-2)

(AA-3) (AG-4)